ЭЛЕКТРОНИКА В ПРИБОРОСТРОЕНИИ

ЛЕКЦИЯ 9. ЛИНЕЙНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

9.1 Преобразователи «ток напряжение»

Электронные усилители, имеющие малые входное и выходное сопротивления, называются преобразователями «ток-напряжение» (ПТН). Для них входным сигналом служит ток, а выходным – напряжение. Схема простейшего ПТН приведена на рисунке 9.1а.

а

б

Рисунок 9.1 – Схемы простейшего преобразователя «ток-напряжение» (а) и ПТН с улучшенными характеристиками (б)

71

От усилителя он отличается тем, что у него сопротивление входного резистора R1 равно нулю. Его входное сопротивление Rвхn определяется включенными параллельно входным сопротивлением опера-

U R :

UR iвх R .

При большом значении K yu , а соответственно при малом сигнале

между входами усилителя, выходное напряжение близко к напряжению U R .

Uвых UR iвх R .

Рассмотренный ПТН плохо работает при малом внутреннем сопротивлении источника входного тока, действие которого аналогично влиянию резистора R1 в схеме обычного операционного усилителя.

При малом сопротивлении R1 усилитель имеет большой коэффициент усиления по напряжению K yu , а соответственно большое смещение нуля выходного напряжения, равное K yuUсм , причем это напряжение

существенно меняется при изменениях внутреннего сопротивления у источника входного сигнала. При наличии у него реактивной составляющей возникают сложности с обеспечением устойчивости.

От этих недостатков частично свободен ПТН, изображенный на рисунке 9.1б. В нем операционный усилитель DA1, непосредственно выполняющий функцию ПТН, имеет большое сопротивление R1 тако-

го же порядка, что и сопротивление R2 . Потому, даже при нулевом сопротивлении источника входного сигнала смещение выходного на-

пряжения не превышает значения Uсм R2 , которое невелико.

R1

72

Усилители DA2 и DА3 обеспечивают уменьшение входного сопротивления, определяемого резистором R1 . Для доказательства этого запишем уравнения, характеризующие схему:

iвх Uвх Uвх 2 ;

R1

Uвх 2 R4 Uвх Uвх3 ;

R3

Uвх3 Uвх R6 .

R5

Подставив эти уравнения в первое выражение, получим

Из полученных уравнений видно, что входное сопротивление ПТН, определяемое резистором R1 , существенно снижается. Оно тем меньше, чем больше коэффициенты усиления операционных усилителей DA2, DA3, зависящие от номиналов резисторов R3 R6. Влияние напряжений смещения нуля операционного усилителя в этой схеме невелико, так как даже при коротком замыкании входных зажимов коэффициенты усиления по напряжению операционного усилителя меняются значительно меньше, чем в случае простейшего операционного усилителя.

9.2 Преобразователи «напряжение ток»

Преобразователи «напряжение-ток» (ПНТ) имеют большие входное и выходное сопротивления. Их выполняют на основе одной из схем, приведенных на рисунке 9.2. Малое изменение выходного тока при подключении различных сопротивлений нагрузки получают:

-за счет подключения сопротивления нагрузки к участку цепи или выходному каскаду с большим собственным выходным сопротивлением;

-за счет увеличения выходного напряжения на значение, равное падению напряжения на нагрузке;

-за счет использования обратной связи, сигнал которой снимается «по току».

73

а

б

в

а – с нагрузкой, гальванически изолированной от земли; б, в – с высокоомными выходными каскадами

Рисунок 9.2 – Преобразователи «напряжение ток»

74

Преобразователи «напряжение ток» (ПНТ), имеющие собственное высокое выходное сопротивление, приведены на рисунке 9.2а, б. Схему, представленную на рисунке 9.2а, применяют тогда, когда нагрузка гальванически не связана с землей. Ее работа основана на использовании равенства токов, подходящих и уходящих от инвертирующего входа операционного усилителя (iвх+iн=0). Поэтому ток в нагрузке задается резистором R1:

Iн Uвх .

R1

При построении схемы, изображенной на рисунке 9.2б, использовано высокое выходное сопротивление управляемых источников тока, собранных на транзисторах VT3, VT4 и VT5, VT6. Каждый из источников работает при определенной полярности входного напряжения. Их входные токи i', i'' задаются транзисторами VT1, VT2. Ток коллекторов этих транзисторов, в первом приближении равный току эмиттеров, определяют из уравнения

i Uвх . R1

Если пренебречь неидеальностью операционного усилителя и управляемых источников тока, то выходной ток

iн i Uвх . R1

При применении данной схемы не возникает проблем с обеспечением устойчивости. Выходное сопротивление ПНТ близко к значению

rкд* и ф . Изменение сопротивления нагрузки не приводит к появлению

дополнительных фазовых сдвигов. Однако из-за неидеальности управляемых источников тока потенциал выходного вывода имеет неопределенное значение при условии, что Zн→∞. Схема преобразователи «ток напряжение», изображенная на рисунке 9.2в, по принципу действия и свойствам близка к схеме, изображенной на рисунке 9.2б. Эффективность ее зависит от того, насколько хорошо подобраны транзисторы VT1VT3 и резисторы R2. При полной идентичности параметров токи нагрузок определяют из уравнения для тока нагрузки. Идея увеличения выходного напряжения на величину падения напряжения в нагрузке реализована в схеме, изображенной на рисунке 9.3а.

При нагрузочном сопротивлении Zн=0 ток нагрузки

iн Uвх R2 . R1R5

75

Если сопротивление резистора Zн≠0, то на нем падает напряжение Uн=Zнiн, и выходное напряжение усилителя необходимо увеличить на это значение. Это справедливо и для предельного случая, когда Zн→∞ и выходное напряжение усилителя равно Uн. Следовательно, параметры резисторов можно определить из условия получения единичного усиления напряжения Uвых при условии Zн→∞:

Из полученного выражения вытекает условие, которое должно выполняться при использовании схемы в качестве преобразователи я «ток напряжение»:

R2 R3 R1 (R4 R5 ) .

Это уравнение справедливо и для случая, когда входное напряжение подается на неинвертирующий вход (подключается к резистору R3, оторванному от общей шины). При этом резистор R1 соединяется с общей шиной. Так как коэффициент передачи усилителя при подаче напряжения на инвертирующий вход не равен коэффициенту усиления, который имеет место при его подаче на неинвертирующий вход, то ток

Данный преобразователь «ток напряжение» хорошо поддерживает значение тока нагрузки, но фаза тока существенно меняется при изменении сопротивления Zн. Это объясняется тем, что глубина положительной обратной связи, осуществляемой через резисторы R3, R4, зависит от значения сопротивления Zн. Ее изменение приводит к изменению амплитудных и фазовых частотных характеристик операционного усилителя, а следовательно, к изменениям фазы выходного тока.

Схемы преобразователей «ток-напряжение», в которых сигналы обратной связи пропорциональны току нагрузки, приведены на рисун-

ке 9.3б, в.

В обоих случаях операционный усилитель DA1 усиливает разность входного напряжения и сигналы обратной связи. Если коэффициент усиления данного операционного усилителя достаточно большой, то эта разность сигналов стремится к нулю. В схеме, изображенной на рисунке 9.3б, обратная связь введена последовательно с входным напряжением. Ее сигнал создан падением напряжения на резисто-

ре R, равным Uос=iнK. Так как при условии Kyu значение Uвх=Uос, то iн URвх .

76

в

Рисунок 9.3 – Схемы преобразователей «напряжение ток» с обратной связью по току

В схеме, изображенной на рисунке 9.3в, входной сигнал и сигнал обратной связи вводятся параллельно на вход операционного усилителя DA1, для которого справедливо уравнение i1+i2=0. Ток обратной связи i2 пропорционален падению напряжения, созданному током нагрузки на резисторе R3. Оно выделяется с помощью дифференциального усилителя DА3, имеющего единичный коэффициент усиления

Операционный усилитель DA2 введен для уменьшения шунтирующего действия сопротивления инвертирующего входа операционного усилителя DA3.

Преобразователь «ток–напряжение» широко применяют при необходимости передавать сигналы на большие расстояния, когда нестабильное сопротивление линии связи может вызвать существенные погрешности передачи сигналов. Их также часто используют при построении измерительных устройств и отдельных функциональных узлов.

9.3 Конверторы сопротивления

Конверторами сопротивления называются электронные устройства, при включении которых в электрическую цепь создается эффект определенного целенаправленного изменения (конверсии) ее сопротивления. Различают конверторы положительного (КПС) и отрицательного (КОС) сопротивлений.

Под конвертором положительного сопротивления (КПС) понимают четырехполюсник, который «преобразует» импеданс сопротивления (Zн), подключенного к одной паре выводов, в импеданс xZн у другой пары выводов, где x – коэффициент пропорциональности. Конвертор отрицательного сопротивления отличается от конвертора положительного сопротивления только знаком коэффициента пропорциональности (x). За этими определениями скрывается тот факт, что введение последовательно с каким-либо сопротивлением Zн дополнительного источника напряжения (КПСН, КОСН) или включение параллельно с Zн дополнительного источника тока (КПСТ, КОСТ) приводит к изменению значения этого сопротивления с точки зрения соотношения между приложенным к нему напряжением и протекающим током. При этом дополнительные источники напряжения и тока должны давать напряжение и ток соответствующих частоты, фазы и формы. Так как с помощью дополнительных генераторов получить полную идентичность сигналов трудно, в качестве конвертора положительного сопротивления и конвертора отрицательного сопротивления используются различные усилители или ПТН, ПНТ, вход которых подключают к одному участку цепи, а выход включают в тот участок, сопротивление которого хотят изменить.

Конвертор положительного сопротивления уже рассмотрели ранее. Как было отмечено, емкость C в цепи обратной связи и резистор R2 для входного напряжения Uвх выступают как компоненты, значе-

78

выполнена операция конверсии сопротивления конденсатора С, включенного в один участок схемы, в сопротивление xXc другого участка,

Так как конверсия осуществляется путем введения дополнительного напряжения, в K yu раз большего входного и противоположного

ему по знаку, то в данном случае используется конвертор положительного сопротивления по напряжению (КПСН). Можно также реализовать конвертор положительного сопротивления, в котором дополнительный сигнал вводится в форме тока – конвертор положительного сопротивления по току (КПСТ).

Конверторы положительного сопротивления в основном применяют для увеличения значений емкостей, резисторов или индуктивностей.

Идею работы конвертора отрицательного сопротивления рассмотрим на примере схемы, показанной на рисунке 9.4.

Рисунок 9.4 – Конвертор отрицательного сопротивления

По существу, это – операционный усилитель, охваченный отрицательной и положительной обратной связью, осуществляемой через резисторы R. Если операционный усилитель считать идеализированным ( K yu , Rвх , Rвых 0 ), то справедливы уравнения

79

U1 U2 ;

Uвых U2 i2 R ;

i1 U вых U1 . R

Совместно решая эти уравнения, получим i1 i2 . Следовательно, при подаче на инвертирующий вход напряжения

U 2 , равного напряжению U1 , создающего ток i2 U2 , цепь ведет себя

R2

как отрицательное сопротивление, равное

U1 R2 . i1

В данном случае x 1, что чаще всего и пытаются получить. Свойства цепи сохранятся, если ее входы поменять местами.

Конвертор отрицательного сопротивления устойчиво работает только тогда, когда глубина отрицательной обратной связи больше, чем положительной (коэффициенты обратной связи соответственно

работоспособности конвертора отрицательного сопротивления обязательно выполнение условия R1 R2 .

Тот же эффект наблюдается в том случае, когда вместо резисторов R1 , R2 установлены сопротивления Z . При этом возникают до-

полнительные трудности с обеспечением устойчивости.

Конвертор отрицательного сопротивления обычно применяют тогда, когда требуется скомпенсировать какое-либо сопротивление, например, сопротивление линии связи при передаче сигнала на большие расстояния или активное сопротивление колебательного контура. Эффективность их резко падает при частотах, больших десятка килогерц, из-за дополнительных фазовых сдвигов и влияния паразитных емкостей.

9.4 Гираторы

Гираторами или инверторами положительного сопротивления называются четырехполюсники, которые в одном направлении передают сигнал без изменения его фазы, а в другом – сдвигают ее на 180° (рисунок 9.5а).

80